두 은하단을 잇는 ‘실 가닥’이 처음으로 관측됐다. 은하단은 수백 개에서 수천 개 이상의 은하가 중력에 의해 서로 묶인 집단으로, 각 은하단은 우주에서 이런 형태로 이어져 그물망이나 거미줄 같은 구조를 이루는 것으로 생각된다. 따라서 이번 관측은 우주의 거대 구조가 이른바 ‘우주망’(cosmic web)으로 불리는 그물망 형태로 분포한다는 이론을 입증하는 첫걸음이 될지도 모른다.세계적인 학술지 ‘사이언스’ 최신호(7일자)에 실린 새로운 연구논문에 따르면, 지구에서 약 10억 광년 거리에서 천천히 충돌하고 있는 두 은하단 ‘아벨 0399’와 ‘아벨 0401’ 사이에서 전파가 지나가는 길인 능선이 관측됐다. 이 플라스마 흐름의 길이는 무려 1000만 광년에 달한다. 천문학자들은 지금까지 우주망에서 ‘매듭’에 해당하는 은하단의 내부를 관측했지만, 각 은하단 사이를 이어주는 실 가닥인 ‘필라멘트’를 확인하는 데는 성공하지 못했었다. 연구를 주도한 이탈리아 국립천체물리연구소(INAF)의 페데리카 고보니 연구원은 “은하단 사이를 연결하는 전파 방출이 관측된 사례는 이번이 처음”이라고 설명했다. 우주는 은하단과 각 은하단이 실 가닥으로 연결된 그물망 구조 그리고 그사이 은하가 없다시피한 빈 공간인 거시공동(보이드)으로 돼 있으며, 지금까지 천문학자들은 주로 우주망에서 매듭에 해당하는 은하단 내부를 관측했다. 고온의 가스와 고밀도의 암흑물질 그리고 빛나는 별들로 구성된 은하단은 가시광과 적외선, X선, 감마선 그리고 전파 등 모든 파장에서 관측할 수 있다. 이미 아벨 0399와 아벨 0401을 비롯한 일부 은하단 중심에서는 드물게 헤일로 형태의 전파가 포착되고 있다. 하지만 은하단 사이의 공간에는 물질이 부족해 매우 어두우므로 멀리 떨어진 것을 관측하는 일은 쉽지 않았다. 하지만 연구진은 플랑크 위성이 촬영한 이미지에서 두 은하단을 연결하는 물질이 실처럼 비치고 있어 아벨 0399와 아벨 0401 사이의 공간을 관측하는 연구를 추진했다. 연구 논문 주저자인 고보니 연구원은 해당 이미지가 자신의 호기심을 자극해 두 은하단이 자기장에 의해 이어져 있다고 추정했다. 아벨 0399와 아벨 0401은 현재 합병 초기 단계에 있다. 두 은하단은 현재 약 980만 광년 떨어져 있지만 아주 먼 미래에는 충돌해 더 큰 초은하단이 될 것이다. 현재 시점에서는 은하단 사이의 공간이 심하게 훼손돼 있어 충격파와 자력선 그리고 입자가 난무하고 있다.연구진은 유럽의 전파망원경 네트워크인 LOFAR(Low-Frequency Array·저주파간섭계)를 사용해 두 은하단 사이의 공간을 관측했다. LOFAR는 광속에 가까운 속도로 운동하는 전자가 방출하는 전파인 싱크로트론 복사를 검출했다. 싱크로트론 복사는 전자가 자기장 주위를 고속으로 나선형으로 운동할 때 발생한다. 이처럼 전파가 지나가는 길은 우주의 그물망 곳곳에 있는 것으로 추정되지만, 오늘날 망원경으로는 탐지가 쉽지 않다고 고보니 연구원은 설명했다. 이번 연구 논문을 검토한 미국 해군연구소의 천문학자 트레이시 클라크 박사는 “이 연구에서 검출된 신호는 우주의 그물망에서 싱크로트론 복사에 관한 이론 예측보다 최대 100배나 밝은 것”이라면서 “아마 병합하는 은하단 사이의 영역에서 강해지고 있을 가능성이 있다”고 말했다. 이번에 관측된 전파의 능선은 매우 긴 거리에 걸쳐 있지만, 이 정도로 광대한 공간에서 전자가 광속에 가까운 속도까지 끊임없이 가속될 수 있는지에 대해서는 아직 알 수 없다. 이 연구를 계기로 필라멘트 안의 입자 분포와 자기장 강도 그리고 가속 과정 등 새로운 연구의 문이 한꺼번에 열리게 될 것이라고 클라크 박사는 설명했다. 사진=사이언스 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

만져지지 않고 보이지도 않지만 우주를 가득 채우고 있는 미지의 물질을 탐구하기 위해 지하 1100m에 연구시설이 만들어진다. 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 오는 12일 강원도 정선군 예미산에 있는 한덕철광 광산에서 우주의 형성과 진화를 탐구하기 위한 ‘우주입자연구시설’(ARF) 착공식을 갖는다고 8일 밝혔다. 지하 1100m 지점에 만들어지는 정선 ARF는 양양 지하실험실보다 400m 더 깊이 들어가 있고 면적은 10배나 큰 2000㎡ 규모이다. 양양 지하실험실은 한국수력원자력 양수발전소 내 지하 700m에 설치된 실험실이다. 현재 전 세계적으로 15개국에서 18개 지하연구시설을 운용하고 있다. 그중 가장 규모가 큰 것은 지하 1290m에 위치한 이탈리아 그랑사소연구소(LNGS)이고, 가장 깊은 곳에 있는 연구시설은 중국 쓰촨성에 있는 CJPL로 지하 2400m 깊이에 위치해 있다. 이들 지하시설은 우주 대부분을 차지하고 있는 암흑물질 검출과 암흑물질의 유력 후보인 중성미자의 질량 측정을 위해 만들어진 것이다. 암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정은 우주 생성과 구성을 이해하기 위한 핵심요소로 현대물리학의 최대 과제이자 노벨물리학상 0순위로 꼽히고 있다. 암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 매우 약하기 때문에 지상에서는 우주선(線) 입자 같은 배경 잡음 때문에 관측이 쉽지 않다. 이 때문에 연구자들은 경쟁적으로 지하 깊은 곳에 검출 장치를 설치하는 것이다. IBS 지하실험연구단은 ARF 구축을 위해 2013년부터 구간별로 시추 분석과 미소진동 점검 등 최신 공법으로 사전 조사를 마쳤으며 이번에 본격 착공에 들어가게 됐다. 2020년 말 모든 시설이 구축되면 2021년부터 본격적으로 실험을 시작할 계획이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

정크 DNA/네사 캐리 지음/이충호 옮김/해나무/440쪽/1만 8000원 우주의 85%는 암흑물질이라는 수수께끼의 물질로 차있지만 우리는 아직 암흑물질의 정체를 모른다. 생물학에도 암흑물질과 비슷한 난제가 있었다. 우리 유전자의 대부분을 차지하고 있는 정크(쓰레기) DNA다. 2001년 처음으로 인간 유전자 지도를 해독한 게놈 프로젝트의 결과가 발표됐을 때 과학자들은 한 가지 당황스러운 사실에 직면했다. 인간 DNA의 거의 98%에 달하는 서열이 알고보니 단백질을 암호화하지 않는 ‘쓸모없는’ 서열이었던 것이다. DNA는 생명체의 정보를 담은 데이터베이스이지만 그 자체로는 일을 하지 않는다. 분자생물학적 과정을 거쳐 DNA에서 RNA가 전사되고 RNA에서 단백질이 합성되는데, 이 단백질이 실제로 우리 몸에서 일을 하는 기계이자 행동 분자들이다. 그렇다면 단백질을 암호화하지 않는 나머지 DNA들은 대체 무슨 역할을 하는 걸까? 한때는 이 서열들이 정말로 ‘정크’에 불과하다고 말하는 과학자들도 있었다. 그러나 생명과학 연구가 진척되면서 과거에 주목받지 못했던 정크 DNA가 사실 다양한 역할을 하고 있음이 알려졌다. 저자는 ‘유전자는 네가 한 일을 알고 있다’라는 후성유전학 교양서를 출간했던 생물학자다. 이번 책 ‘정크 DNA’에서는 ‘단백질을 암호화하지 않는 정크 DNA’라는 핵심 개념을 중심으로 다채로운 생물학 현상들에 대한 이야기를 들려준다. 정크 DNA는 비록 단백질을 직접 암호화하지는 않지만, 염색체의 말단에서 세포시계의 역할을 하는 텔로미어, 세포 분열 과정에서 반드시 필요한 동원체, 자체로 효소 기능을 가진 리보솜 RNA, X 염색체의 비활성화와 같은 수많은 현상에 관여하고 있다. 저자의 ‘자동차 조립 공장’ 비유에 따르면 100명의 공장 직원 가운데 실제 조립을 하는 직원은 2명에 불과할 수도 있다. 그러나 나머지 98명의 존재가 무의미한 것은 아니다. 그들은 전체 작업이 원활하게 돌아가도록 자금을 조달하고 자동차를 판매한다. 정크 DNA는 바로 이런 역할을 하는 것이다. ‘정크 DNA’는 한때 우리가 무신경하게 넘겼던 것들이 어떤 과정을 거쳐 과학 연구의 한복판으로 진입하는지, 과학적 이해가 어떻게 발전해나가는지를 함께 살필 수 있는 흥미로운 분자생물학 입문서이다. 쉽게 읽히는 책은 아니지만, 고등학교 교양 생물 수준을 넘어서는 지식을 얻고 싶은 독자들에게 새로운 도전이자 즐거움이 될 것이다.

요즘 같이 미세먼지 가득한 하늘에서는 엄두도 낼 수 없지만 맑은 밤하늘 반짝거리는 별들을 보면서 사람들은 ‘우주는 얼마나 넓을까’ ‘우주의 무게는 얼마나 될까’라는 상상을 해보곤 한다. 사람의 체중을 재듯 정확하게 우주와 은하계의 무게를 잴 수는 없지만 천문학자들이 은하질량의 가장 근사치를 최근 발표해 주목받고 있다. 미국 항공우주국(NASA) 고다드 우주비행센터, 우주망원경과학연구소, 천문학연구대학협회, 유럽우주국(ESA) 공동연구팀이 NASA 허블우주망원경과 ESA 가이아위성을 활용해 은하질량을 예측하는데 성공하고 천문학 분야 국제학술지 ‘천체물리학’에 곧 발표될 예정이라고 8일 밝혔다. 이들 연구에 따르면 은하의 무게는 약 1조 5000억 태양질량으로 조사됐다. 태양질량은 천문학에서 항성(별)이나 은하 질량을 표시하는 단위로 태양 1개 질량과 동일하며 지구 33만 2950개의 질량과 동일하다. 지난 수십 년 동안 많은 학자들은 은하의 무게가 태양계 질량의 5000억~3조 사이가 될 것이라고 다양한 측정치를 내놨다. 연구팀은 허블망원경과 가이아위성을 이용해 구상성단의 3차원 운동을 측정했다. 별들은 우리은하 중심을 천천히 공전하고 있다. 가이아위성의 관측자료를 바탕으로 우리은하의 정확한 3차원 지도를 만들고 그 움직임을 추적하도록 했다. 허블우주망원경은 가아이위성보다 관측범위는 작지만 희미한 빛을 가진 별까지 측정할 수 있기 때문에 멀리 떨어진 영역까지 관측이 가능하다는 장점이 있다. 이번 연구는 최근 10년 동안 13만광년 거리에 있는 12개의 성단을 측정한 허블 망원경 측정결과와 6만 5000광년 거리까지에 있는 34개 구상성단을 관측한 가이아위성 측정치를 결합시켰다. 은하수에 있는 약 2000억개의 별의 무게는 몇 %에 불과하고 여기에는 400만개 정도의 태양과 비슷한 질량을 가진 초거대질량 블랙홀이 포함돼 있다. 질량의 나머지 부분은 우주 전체를 뒤덮고 있으면서도 보이지 않은 암흑물질인 것으로 알려졌다. 이번 은하질량 추산을 통해 가벼운 은하는 약 10억 태양질량을 갖고 있는 반면 무거운 것은 30조 태양질량까지 다양한 것으로 나타났다. 1조 5000억 태양질량을 가진 은하가 일반적인 것으로 알려졌다. 허블측정을 주도한 토니 손 미국 우주망원경과학연구소 박사는 “이번 측정을 통해 우리 은하 주변 광대한 암흑물질 질량 측정도 가능해질 것”이라며 “은하 무게 측정은 우주의 생성과 진화의 과정을 더 자세히 이해할 수 있게해줄 것으로 본다”고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

중력법칙 위배된 별의 움직임에 영향 20년 전 다마 실험팀 ‘윔프’ 발견 주장 양양 지하 실험서 반박할 자료 찾아내“푸른 하늘 은하수, 하얀 쪽배에….” 빛 공해 없는 야외로 나가 밤하늘을 쳐다보면 하늘을 가로지르는 아름다운 은하수와 수많은 별들이 눈으로 쏟아져 들어온다. 수조개에 이르는 별과 행성들이 우주를 가득 채우고 있는 것 같지만 우리 눈에 보이는 ‘일반 물질’은 4~5% 정도에 불과하고 나머지 96%가량은 암흑에너지와 암흑물질로 가득 차 있다. 암흑에너지와 암흑물질은 보이지도 않고 만져질 수도 없지만 우주 곳곳에 퍼져 있는 수수께끼 같은 존재다. 암흑물질 존재 가능성은 1933년 프리츠 츠비키 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 교수가 처음 제기했지만 학계의 관심을 받지 못했다. 그러다가 1950년대 말 미국 천문학자 베라 쿠퍼 루빈 박사가 은하 안쪽 별의 회전속도를 측정한 결과를 발표하면서 다시 주목받게 됐다.루빈 박사는 은하를 이루는 별들은 은하 중심을 공전하고 있는데 기존 중력법칙에 따르면 별들의 속도는 중심에서 멀어질수록 느려져야 하지만 은하 중심쪽 별들과 바깥쪽 별들의 속도가 거의 같다는 사실을 발견했다. 일부 과학자들은 중력법칙을 수정해 이런 현상을 설명하려고 했지만 모두 실패했다. 중력법칙을 수정하기 위해서는 기존 중력법칙이 부분적으로라도 틀렸음을 보여야 하는데 그런 증거를 찾지 못했기 때문이다. 결국 새로운 물질의 존재를 가정할 수밖에 없었는데 그것이 바로 암흑물질과 암흑에너지이다.1995년 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소를 중심으로 한 국제공동연구팀이 지하실험실에 설치한 검출기로 암흑물질을 탐색하는 ‘다마’(DAMA) 실험을 시작했다. 암흑물질의 발견은, 다마연구팀이 1998년 계절별로 변하는 신호를 발견해 이를 암흑물질의 후보입자 중 하나인 낮은 질량의 ‘윔프’(WIMP)를 발견했다고 주장한 것이 유일하다. 지구가 공전궤도를 지나면서 서로 다른 암흑물질 지역을 통과해 신호가 달라진다는 주장이다. 20년이 지난 지금까지도 세계 각국의 연구자들이 다마실험팀이 측정한 에너지 범위에서 윔프신호를 발견하지 못해 암흑물질을 실제로 찾은 것이냐에 대한 논란은 계속되고 있다. 이 같은 상황에서 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단을 주축으로 한 미국, 브라질, 인도네시아, 영국, 일본, 캐나다 연구진으로 구성된 ‘코사인100’ 국제공동연구팀이 다마실험팀의 발견을 반박할 수 있는 결과를 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 6일자에 발표했다. 코사인100 연구팀은 2016년부터 강원도 양양에 있는 지하 700m 깊이의 실험실에서 다마팀의 결과를 검증하는 실험을 시작했다. ‘코사인100 실험’이라고 이름 붙여진 이 실험은 고순도의 결정에 암흑물질이 부딪혔을 때 빛을 낸다는 점에 착안해 암흑물질 존재를 규명하는 것이다. 그 결과 다마팀이 발견한 신호가 암흑물질 때문이 아닐 가능성이 높다는 데이터를 찾은 것이다. 이현수 IBS 지하실험연구단 부연구단장은 “이탈리아 다마실험을 완벽히 재현할 검출기를 자체 개발해 독립적 실험을 통해 데이터를 얻었다는 데 학계가 주목하고 있다”며 “암흑물질의 발견은 물리학계에 크게 영향을 미칠 놀라운 사건이니 만큼 추가적인 데이터를 확보해 5년 내에 다마팀의 주장을 완벽하게 확인할 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우주의 약 4분의 1을 차지하고 있다고 하지만 볼 수 없는 암흑물질을 검출할 좋은 기회가 생겼다. 지구를 비롯한 태양계가 현재 암흑물질로 구성된 우주 폭풍에 직격탄을 맞고 있을 가능성이 있다는 연구 결과가 나왔기 때문이다. 스페인 사라고사대 시아란 오헤어 박사가 이끄는 국제 연구팀은 태양계 근처로 일부 별들이 막대한 양의 암흑물질을 몰고 오고 있다는 것을 발견했다. 이는 유럽우주국(ESA)의 위성 가이아가 지난 4월 발표한 태양계를 둘러싼 우리 은하 속 항성 20억 개의 위치와 궤도 정보 자료에서 나온 것. 연구팀은 이 방대한 자료를 조사하던 중에 일부 항성의 특이한 움직임을 발견할 수 있었다.연대나 성분이 비슷해 이른바 ‘S1 스트림’으로 명명된 약 3만 개의 항성들 중 약 100개가 다른 일반적인 항성들과 달리 역방향으로 태양계 근처로 다가오고 있기 때문이다. 이는 고속도로에서 일부 차량이 역주행을 하는 상황과 비슷하지만, 이들 항성은 다행히 태양계와 거리가 있어 충돌할 걱정은 없다고 연구팀은 말한다. 역주행 중인 이들 항성은 수천 광년 거리로 펄쳐져 있고 수백만 년 동안에 걸쳐 태양계 근처를 통과할 것이다. S1 스트림은 10억 년 전 은하계와 충돌한 왜소은하의 일부 잔해로 생각된다. 왜소은하는 우리 은하 질량의 1% 미만으로 그 수가 작지만, 많은 암흑물질을 지니고 있다고 알려졌다. 연구에 따르면, S1 스트림이 수반하는 암흑물질은 일반적인 암흑물질보다 약 2배 빠른 속도로 지구를 관통한다. S1 스트림의 암흑물질은 초속 약 550㎞의 속도로 태양계를 지나고 있는 것으로 추정된다. 하지만 암흑물질이 태양계를 관통하고 있다고 해서 크게 걱정할 필요는 없다. 암흑물질은 확산성이 매우 높아 태양계에 뚜렷한 영향을 미치지 못하기 때문이다. 따라서 암흑물질이 고속으로 지구를 통과하면 이를 관찰할 좋은 기회가 될 뿐이다. 자세한 연구 결과는 미국물리학회(APS)가 발간하는 학술지 ‘피지컬 리뷰 D(Physical Review D) 최신호(7일자)에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

‘스타트렉’ 팬들이 좋아할 만한 소식일지도 모르겠다. 천문학자들이 이 영화에 나오는 상징적 우주선 ‘USS 엔터프라이즈’와 닮은 은하단을 발견했다고 밝혔다. 미국항공우주국(NASA)은 16일(현지시간) 지구에서 약 16억 광년 거리에 있는 은하단 ‘아벨 1033’에 관한 최신 이미지를 공개했다. 은하단은 수백에서 수천 개의 은하가 중력에 의해 묶인 것으로 우주에서 가장 거대한 구조다. 여기에는 은하 외에도 눈에 보이지 않는 암흑물질과 X선 등에서 밝게 빛나는 뜨거운 가스 덩어리들이 존재한다. 공개된 이미지는 NASA의 찬드라 X선 망원경에서 나온 X선 자료(보라색)와 네덜란드 등 유럽 5개국에 나눠 설치된 로파(LOFAR·Low-Frequency Array) 전파망원경에서 나온 전파 자료(파란색), 그리고 슬론 디지털 스카이 서베이에서 나온 광학 자료를 합성해 만든 것이라고 NASA는 설명했다. NASA에 따르면, 천문학자들은 아벨 1033에 관한 X선과 전파 관측 자료를 분석해 이 은하단이 사실 서로 충돌하고 있는 두 개의 은하단임을 확인했다.이에 대해 NASA는 “공개한 이미지 중 위에서 아래로 일어나고 있는 두 은하단의 충돌은 난류와 충격파를 일으켰다”면서 “이는 초음속 전투기가 음속을 돌파할 때 발생하는 소닉붐과 비슷하다”고 설명했다. 이밖에도 아벨 1033에서는 한쪽 은하단에 속하는 한 은하 중심에 있는 초질량 블랙홀 하나가 제트 분출을 일으켜 가스 덩어리에 영향을 미친 것으로 나타났다. 제트 분출은 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이다가 어느 시점에 도달하면 일부 물질을 빛의 속도에 가까운 속도로 내뿜는 현상을 말한다. 흥미로운 점은 은하단의 모양이 스타트렉에 나오는 상징적 우주선 USS 엔터프라이즈와 상당히 닮았다는 것이다. 이는 전형적인 파레이돌리아의 사례라고 NASA는 덧붙였다. 파레이돌리아는 모호하고 연관성 없는 현상이나 자극에서 일정한 패턴을 추출해 연관된 의미를 추출하려는 심리 현상을 말한다. 사진=NASA 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

숲속에선 숲의 형태를 알 수 없다 오늘날 우리는 우리가 살고 있는 은하의 형태가 나선팔을 가진 원반 꼴임을 잘 알고 있다. 최근에 중앙에 막대 구조가 있는 것까지 밝혀져 우리은하는 분류상 막대나선은하에 속한다. 그러나 이렇게 우리은하의 형태와 크기를 알게 되기까지에는 수많은 천문학자들의 400년에 걸친 노고가 숨어 있다는 사실을 아는 이는 그리 많지 않다. 숲속에서 그 숲의 전체 형태를 잘 알 수 없는 것과 마찬가지로, 은하 내부에 살면서 그 은하의 모양을 알아내기란 참으로 어려운 일이기 때문이다. 인류 중 그 누구도 우리은하 바깥으로 나간 이는 아직 없다. 우리은하의 단면적인 모습을 알려면 은하수를 보면 된다. 밤하늘에 동서로 길게 누워 가는 이 빛의 강, 은하수를 일컬어 서양에서 밀키웨이(milky way)라 하는 것은 헤라 여신의 젖이 뿜어져나와 만들어졌다고 하는 그리스 신화에 기원한다. 이처럼 일찍부터 인류와 친숙한 은하수지만, 이 은하수의 정체를 알아낸 것은 놀랍게도 400년 밖에 안된다. 은하로의 먼 여정을 향해 첫 주자로 나선 사람은 17세기 이탈리아 물리학자 갈릴레오 갈릴레이였다. 1610년 갈릴레오는 자신이 직접 만든 망원경을 은하수에 들이대어 관측한 결과, 흐릿하게 성운처럼 보이는 은하수가 실제로는 개개의 별들로 분해된다는 것을 알아냈다. 이리하여 갈릴레오는 은하수가 무수한 별들의 집적이라는 사실을 최초로 발견하고 그것을 인류에 보고하는 영예를 얻었다. ​ ‘은하수’를 밝혀낸 철학자 그 다음 은하수에 관해 놀라운 추론을 한 사람이 1세기 후에 나타났다. 그런데 그는 놀랍게도 과학자가 아닌 철학자인 임마누엘 칸트였다. 1755년에 발표된 칸트의 박사학위 논문은 철학이 아니라 천문학 이론으로, 그 제목부터가 ‘일반 자연사와 천체 이론’이었다. 하긴 그 시대는 철학과 천문학 사이에 명확한 선이 없던 때이기는 했지만 칸트의 논문은 명확히 천문학에 관한 내용이었다. 그것도 우리 태양계의 생성에 관한 학설로, 흔히 성운설‘이라고 불리는 것이다. 현대 천문학 교과서에도 ‘칸트의 성운설’(Kant’s Nebula Hypothesis)로 당당하게 자리잡고 있다. 태양계 성운설을 제창한 칸트는 태양계가 만들어진 것과 같은 원리로 우리은하가 만들어졌다고 생각했다. 즉 회전하는 거대한 성운이 수축하면서 원반 모양이 되고 원반에서 별이 탄생했으며, 은하수는 원반 위에 있는 관측자가 본 우리은하의 옆모습이라는 정확한 설명을 내놓았다. “지구가 은하 원반 면에 딱 붙어 있어 지구에서 은하수를 보는 시선방향이 우리은하를 횡단하게 된다. 따라서 지구에서 볼 때 중심부와 먼 가장자리 별들이 겹쳐져 보이므로 그처럼 밝은 띠로 보이게 되는 것이다. 또한 원반이 얇으므로 아래 위쪽은 당연히 성기게 보인다.” ​200년도 더 전에 나온 철학자 칸트의 이 같은 은하수 설명은 참으로 놀라운 예지와 직관의 산물이라 하지 않을 수 없다. 직접 망원경으로 천체를 관측하기도 한 칸트는 당대 최고의 우주론자로서, 우리 은하 바깥에도 우리 은하처럼 수많은 별로 이뤄진 독립된 은하들이 섬처럼 흩어져 있으며 우리 은하는 이처럼 수많은 은하의 하나에 불과하다는 섬우주론을 주장했다. 허셜이 시도한 ‘하늘의 구축’ 칸트 다음으로 은하수 여정에 오른 사람은 칸트와 동시대인으로 천왕성 발견자인 윌리엄 허셜이었다. 은하수의 실제 모습과 태양이 은하수 내에 어디쯤 위치하는지 알아내려는 시도는 이 허셜에 의해 처음으로 이루어졌다. 1784년, 그는 전인미답의 영역, 은하계 구조 연구에 착수했다. 이전의 어떤 천문학자도 시도해보지 않은 주제였다. 허셜은 이 계획을 ‘하늘의 구축’이라 이름했다. 그는 하늘을 여러 영역으로 나누고 각 영역에 있는 별의 수를 헤아려 우리은하의 별 분포를 조사했다. 통계적으로 밝은 별은 가까운 별, 어두운 별은 먼 별임을 전제하고, 3400개의 성단들에 있는 별들의 수를 센 결과, 별의 분포는 타원체를 이루며 은하수에 있는 별들이 모두 3억 개라는 수치가 나왔다. 허셜은 별들이 은하수에 가까울수록 많이 밀집해 있다는 것을 발견하고, 태양계는 은하계의 일부분으로, 태양은 은하의 중심부분에 위치한다는 결론을 내렸으며, 은하계는 수레바퀴 모양의 별의 집단을 옆에서 본 것에 불과하다고 주장했다. 이 수레바퀴의 긴 지름이 짧은 지름의 4배라고 발표했다. 이로써 인류 역사상 최초로 은하수의 정체와 구조가 밝혀진 셈이다. 그에 의하면, 우리가 사는 은하계는 우주 안에서 별들이 모여 있는 유일한 집단이 아니며, 거대한 체계를 이루는 집단들 중 하나일 뿐이라는 것이다. 허셜은 나아가 우주의 규모를 언급했다. 당시 가장 가까운 별들 간의 거리도 제대로 모를 시기에 그는 가장 멀리 떨어져 있는 대상들의 거리를 200만 광년으로 잡았다. 물론 오늘날 보면 턱없이 작게 잡은 것이지만, 당시로서는 현기증 날 만큼 어마어마한 거리였다. 사람들은 우주의 광막한 크기에 입을 딱 벌렸다. 요컨대, 허셜은 역사상 최초로 인류 앞에 광대한 우주의 규모를 펼쳐보여 주었던 것이다. 1920년에는 네덜란드의 야코뷔스 캅테인이 허셜의 방법에 따라 더 정교하게 별들의 분포를 관찰한 후, 1922년에 출간된 그의 필생 사업인 <항성계의 배열과 운동이론에 관한 최초의 시도>에서 우리은하를 중심에서 멀어질수록 별의 밀도가 감소하는 렌즈 모양의 섬우주로 묘사했다. 캅테인의 섬우주 모형에서 우리은하의 크기는 약 4만 광년, 두께가 6500광년이며, 태양의 위치는 우리은하 중심에서 2000광년 떨어진 지점이었다. 태양계의 위치는 여전히 크게 벗어난 것이지만, 우리은하의 실제 규모에 상당히 근접하는 값을 내놓았다는 데 큰 의미가 있었다. ‘이것이 내 우주를 파괴한 편지다’ 이 허셜-캅테인 모형의 반대편에는 미국의 할로 섀플리의 우리은하 모형이 있는데, 섀플리는 1919년 늙은 별들의 집단인 구상성단들을 관측한 끝에, 그것들이 거의 구형으로 분포하며 지름이 30만 광년이고, 그 중심으로부터 태양은 약 4만5000광년 떨어져 있다고 추정했다. 그는 구상성단들의 분포 중심이 우리은하의 중심이라고 보았다. 섀플리의 우리은하 모형은 허셜-캅테인 모형과는 달리 태양이 우리은하의 중심에 있지 않은 셈이다. 이는 코페르니쿠스의 태양중심설에 못지않은 우주관의 변혁을 가져왔다. 그러나 섀플리는 ‘안드로메다 성운’을 포함한 모든 천체가 우리 은하 안에 있으며 우리 은하 자체가 우주라고 생각하는 오류를 저질렀다. 이러한 섀플리의 주장은 얼마 후 에드윈 허블이라는 신참 천문학자에 의해 무참히 퇴출되었다. 1924년 허블은 안드로메다 성운에서 변광성을 관측해 안드로메다 은하까지의 거리를 알아냄으로써 그것이 우리은하 밖의 외부 은하임을 밝혔다. 허블이 섀플리에게 자신이 발견한 결과를 편지로 알리자, 섀플리는 “이것이 내 우주를 파괴한 편지다”라고 말했다고 한다. 그러나 우리은하의 구조에 대해서는 섬우주론에서 채택한 허셜-캅테인 모형이 틀리고, 태양이 은하의 중심에서 멀리 떨어져 있는 섀플리 모형이 더 타당한 것으로 결론이 났다. 전파로 은하중심을 헤집다 1940년대 들어 전파천문학이 발전함에 따라 천문학자들은 전파의 각 파장대의 특성을 이용한 관측으로 우리은하에 네 개의 주요 나선팔이 있으며, 이들이 어떤 분포를 하고 있는지를 알아냈다. 그 결과, 우리은하는 전형적인 나선은하라는 결론을 내렸다. 하지만 우리은하에 막대가 있을 거라는 주장은 1990년대에 들어와서야 일부 천문학자들 사이에서 나왔다. 그러나 확실한 관측에 바탕을 둔 주장이 아니었기 때문에 천문학계에서는 이를 받아들이지 않았다. 막대구조를 확인하기 위해서는 무엇보다 은하의 중심을 들여다보아야 하는 난제가 가로놓여 있었다. 은하 중심이 눈부시게 밝을 뿐만 아니라, 은하 원반의 성간 먼지나 가스, 별 등이 우리의 시선을 가로막고 있기 때문이다. 그러나 가장 산란이 적은 적외선 망원경이 이 문제를 해결해 주었다. 2005년 스피처 적외선 우주망원경이 마침내 은하 중심을 육박했다. 이 스피츠의 관측에 의해 우리은하 중심부에 2만7000광년 길이의 막대구조가 들어앉아 있음을 공식 확인했다. 그리고 우리은하의 팔도 막대구조 끝에서 뻗어나온 2개의 나선팔과, 여기서 가지치기한 2개의 작은 나선팔이 더 있는 전형적인 막대나선은하 형태임이 밝혀졌다. 이로써 우리은하 형태를 결정짓는 화룡점정이 이루어졌고, 덕분에 2005년 이후 우리은하의 형태는 막대나선은하로 확고히 자리매김되었다. 우리은하의 ‘맨얼굴’ 우리은하를 옆에서 보면 프라이팬 위에 놓인 계란 프라이와 흡사한 꼴이다. 가운데 노른자 부분을 팽대부라 한다. 거기에 늙고 오래 된 별들이 공 모양으로 밀집한 중심핵(Bulge)이 있고, 그 주위를 젊고 푸른 별, 가스, 먼지 등으로 이루어진 나선팔이 원반 형태로 회전하고 있다. 그리고 그 외곽에는 주로 가스, 먼지, 구상성단 등의 별과 암흑물질로 이루어진 헤일로(Halo)가 지름 40만 광년의 타원형 모양으로 은하 주위를 감싸고 있다. 천구상에서 은하면은 북쪽으로 카시오페이아자리까지, 남쪽으로 남십자자리까지에 이른다. 은하수가 천구를 거의 똑같이 나누고 있다는 사실은 곧 태양계가 은하면에서 그리 멀리 떨어져 있지 않다는 것을 뜻한다. 은하수는 중심부가 있는 궁수자리 방향이 가장 밝게 보인다. 이 중심부에 태양질량의 약 400만 배인 지름 24km짜리 크기의 블랙홀이 있다는 것이 밝혀졌다. 뿐더러, 이 블랙홀 근처에 작은 블랙홀이 하나 더 있어 쌍성처럼 서로 공전하고 있다는 것이 확인되었다. 어째서 이런 일이? 이것은 바로 과거에 우리은하가 다른 작은 은하를 잡아먹었다는 증거다. 우리은하가 약 10억 년 전 젊은 다른 은하와 충돌, 합병하여 현재의 크기가 되었다고 한다. 우리은하의 지름은 10만 광년, 가장자리는 5000광년, 중심 부분은 2만 광년이다. 은하가 이처럼 납작한 이유는 은하 자체의 회전운동 때문이다. 이 안에 약 4000억 개의 별들이 중력의 힘으로 묶여 있다. 태양 역시 그 4000억 개 별 중의 하나일 따름이다. 태양은 우리은하의 중심으로부터 2만8000광년 거리에 있으며, 나선팔 중의 하나인 오리온 팔의 안쪽 가장자리에 있다. 우리 태양계는 물론, 우리은하 전체가 중심핵을 둘러싸고 회전하고 있다. 태양이 은하중심을 도는 속도는 초속 220km나 되지만, 그래도 한 바퀴 도는 데 2억5000만 년이나 걸린다. 태양이 태어난 지 대략 50억 년이 됐으니까, 지금까지 미리내 은하를 20바퀴쯤 돈 셈이다. 앞으로 그만큼 더 돌면 태양도 종말을 맞을 것이다. 물론 인류는 훨씬 이전에 지구상에서 사라졌을 것이다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　　

-버팔로(BUFFALO) 프로젝트로 초기 은하 형성을 밝힌다 허블 우주 망원경이 우주에서 가장 멀리 떨어져 있는 은하계를 잡은 놀라운 이미지가 13일(현지시간) 우주 전문 사이트 스페이스닷컴에 소개되었다. 이 사진은 우주의 초창기에 생긴 태초의 은하계 모습을 근접 촬영한 것이다. 허블 망원경의 버팔로(BUFFALO:Beyond Ultra-Deep Frontier Fields And Legacy Observations) 프로젝트라는 새로운 미션의 일환으로 찍은 이 사진은 지구로부터 50억 광년 떨어진 아벨(Abell) 370이라는 거대한 은하단의 모습을 잡은 것이다. 이 은하단은 은하단 너머 멀리 떨어진 물체를 확대해서 보여주는 일종의 우주 돋보기 역할을 하고 있다. 허블 망원경은 아벨 370과 같은 거대한 은하단의 중력이 배경의 멀리 떨어진 물체로부터 빛을 굴절하고 상을 확대하기 때문에 아주 희미한 물체의 이미지를 잡아낼 수 있다. 이것은 한 세기 전 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 예측한 현상으로, 중력이 큰 천체가 시공을 왜곡하여 빛을 휘게 하는 중력 렌즈 효과이다. 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 나타난다. 아벨 370은 거대한 두 타원은하가 지배하고, 희미한 호가 가득한 것처럼 보인다. 중앙에서 약간 왼쪽에 보이는 인상적인 용모양 호와 산란된 푸른 호들은 아벨 370 은하단보다 약 두 배 더 먼 곳에 있는 은하들로, 아벨 은하단 같은 거대 질량체가 없다면 결코 보이지 않을 천체들이 중력 렌즈 현상으로 확대되어 이같이 보이는 것이다. 그런데 아벨 은하단의 거대한 질량은 보이지 않은 암흑물질에 의해 지배된다. 만약 이러한 암흑물질이 없다면 은하단에 속한 은하들이 다 뿔뿔이 흩어지고 말았을 것이다. 이미지의 오른쪽 아래 보이는 날카로운 푸른 별빛은 우리은하의 별이며, 그 별보다 훨씬 더 멀리 있는 아벨 370은 고래자리 에 있다. 버팔로 프로젝트의 일환으로 허블 망원경은 6개의 거대 은하단과 그 주변을 관측할 계획이다. 새로운 관측 데이터는 천문학자들이 초기 은하계의 진화에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 해줄 것으로 기대되고 있다. 허블 망원경이 2013년부터 2017년까지 진행된 프론티어 필드 프로그램에서 중력 렌즈 효과가 강한 6​​개의 주목할 만한 은하계를 관측한 바 있는데, 버팔로 프로젝트는 이 프로그램을 계승한 것으로, 전 미션보다 10배 더 효율적으로 우주에서 가장 거대하고 오랜 은하들이 언제 어떻게 형성되었는지, 그리고 빅뱅 이후 처음 8억 년 동안 형성된 암흑물질과 은하 사이의 관계가 어떠한가를 조사할 계획이다. 버팔로 프로젝트에서 수집된 데이터는 허블 망원경을 대체하기 위해 2021년에 발사될 예정인 NASA의 제임스 웹 우주망원경과 같은 향후 미션에도 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

아무것도 보이지 않고 만져지지 않지만 어떤 존재가 강하게 느껴진다면 그것은 있는 것일까, 없는 것일까.빛 공해가 없는 시골에서 맑은 밤하늘을 바라보면 수많은 별들이 눈 안으로 한가득 쏟아져 들어온다. 그런데 공기가 없는 우주에서 별과 별 사이는 무엇으로 채워져 있을까. 실제 우주에는 있는 듯 없는 듯한 유령 같은 존재가 별과 별 사이를 가득 채우고 있다. 밤하늘의 별처럼 우주에서 우리 눈에 보이는 ‘일반 물질’은 약 4~5% 정도에 불과하고 나머지 95~96%는 베일에 감춰진 수수께끼 같은 존재인 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다. 암흑물질의 존재 가능성은 1933년 프리츠 츠비키(1898~1974) 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 교수가 처음 제기했다. 츠비키의 주장은 당시 과학자들에게 무시돼 20년 이상 잠들어 있다가 1950년대 말 미국의 천문학자 베라 쿠퍼 루빈 박사가 애리조나 키트피크 천문대에서 은하 내부 별의 회전속도를 측정한 결과를 발표하면서 재조명됐다.은하를 이루고 있는 별들은 은하 중심을 공전하고 있는데 기존 중력 법칙에 따르면 별들의 속도가 중심에서 멀어질수록 느려져야 한다. 그런데 루빈 박사의 관측에 따르면 은하 중심부 별들과 바깥쪽 별들의 속도가 거의 같았다. 일부 과학자들은 중력 법칙을 수정해 이런 현상을 설명하려고 시도했으나 모두 실패했다. 중력 법칙을 수정하기 위해서는 기존 중력 법칙이 부분적으로라도 틀렸다는 증거가 있어야 하는데 그런 증거를 찾지 못했기 때문이다. 결국 새로운 물질의 존재를 가정할 수밖에 없었다. 그것이 바로 암흑물질과 암흑에너지다. 레이저 간섭계 중력파 관측소(라이고) 연구단이 2016년 2월 중력파 관측 성공을 선언함으로써 알베르트 아인슈타인이 1915년 발표한 일반상대성이론이 예측한 현상 중 마지막까지 남아 있던 숙제가 풀렸다. 중력파 발견 이후 과학계는 암흑물질과 암흑에너지 탐색을 위한 실험에 박차를 가하고 있다. 2012년 ‘신의 입자’라고 불리는 힉스입자를 발견한 유럽핵입자물리연구소(CERN)도 향후 연구 대상으로 암흑물질을 지목했다. 지난 3일 이탈리아 국립핵물리연구소 산하 프라스카티 국립실험실은 암흑물질 탐색을 위한 ‘파드메’(PADME) 실험을 시작했다고 밝혔다. ‘파드메’ 실험은 ‘양전자 소멸을 통한 암흑물질 실험’의 준말이다. 연구팀은 암흑물질이 현재 물리학에서 통용되고 있는 4가지 힘인 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이 아닌 ‘제5의 힘’에 민감하게 작용할 것이라는 가설에서 실험을 시작했다. 제5의 힘은 ‘암흑광자’(Dark photon)에 의해 전달된다. 그렇기 때문에 암흑광자를 찾게 되면 암흑물질의 존재를 간접적으로 파악할 수 있다는 설명이다. 암흑물질의 직접 검출이 쉽지 않기 때문에 암흑물질들 사이의 힘을 매개하는 물질을 찾는 것으로 전략을 바꾼 것이라 할 수 있다. 이탈리아 사피엔자대 마우로 라지 박사는 “현대 과학으로도 우주의 90% 이상이 어떤 것으로 구성돼 있는지 정확하게 모른다”며 “우주의 90%를 좌우하는 제5의 힘을 발견한다면 우주를 보는 관점을 완전히 바꿔야 할 것”이라고 설명했다. 국내에서도 암흑물질 검출을 위해 분주하게 움직이고 있다. 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 암흑물질의 유력 후보로 알려진 중성미자 연구를 위해 강원도 정선 신동읍 한덕철광 부지 일대 지하 1100m 깊이에 2000㎡ 규모의 실험공간을 건설 중이다. 지하실험연구단은 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’라는 뜻의 암흑물질인 ‘윔프’의 신호를 찾기 위해 강원도 양양 양수발전소 지하 700m에서 윔프 검출 실험도 진행 중이다. IBS 지하실험연구단 관계자는 “지하 깊숙이 들어갈수록 실험에 방해가 되는 물질이 줄어 검출기 민감도가 높아지게 되고 그렇게 되면 우주의 비밀을 간직한 물질을 예상치 못하게 발견할 가능성도 커진다”고 말했다. IBS 액시온 및 극한상호작용연구단도 CERN과 함께 또 다른 암흑물질 후보인 액시온 검출을 위한 공동 연구를 진행하고 있다. 이들은 9테슬라(자기장 세기의 단위)급의 강력한 자석을 개발 중이다. 액시온은 강한 자기장을 만나면 빛을 내는 광자로 바뀐다고 예측되고 있어 9테슬라급 자석으로 태양에서 날아오는 액시온을 검출하겠다는 것이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

해가 진 뒤 밤이 조용히 찾아온다. 인적은 없고 매미만 시끄럽게 울어댄다. 고개 들어 까맣디 까만 하늘을 바라본다. 빛나는 큰 별, 그리고 그 옆에 반짝반짝 작은 별. 우리가 보는 별은 ‘물체’가 아닌, ‘빛’이다. 빛이 빠르다는 사실은 학교에서 배웠다. 우주는 아주 넓다. 빛이 아무리 빠르게 달려도 밤하늘 건너 우리에게 온 저 별의 빛은 결국 아주 오래전 것이란 이야기다. 문득 궁금증이 생긴다. 이 우주는 얼마나 크고, 어떻게 작동하는 것일까. 그 궁금증을 따라 우주를 다룬 신간 3권을 펼쳐본다. ◆빛 분석해 우주 지도 그린다-매일 밤 우리가 보는 수천 개의 별은 우리 은하(Milky Way galaxy)의 별에 지나지 않는다. 눈으로 보지는 못하지만, 우주 안에는 모양·크기·나이가 제각각인 수천억개의 은하가 있다. 은하마다 또 수천억 개의 별을 저마다 거느린다. 우리 지구는 이런 은하들이 각기 방출하고 흡수한 뒤 결합한 빛을 온몸으로 받는다. 이 빛을 연구한다면 우리는 우리 은하와 외부 은하의 지도를 그릴 수 있다. 또 우주의 구성 성분도 밝혀낼 수 있다. ‘우주의 지도를 그리다’(글항아리 사이언스) 저자 제임스 기치는 관측 천문학자로, 우주를 더 깊이, 더 멀리, 더 자세히 들여다보고자 매일 빛을 모은다. 광자 가운데 일부를 포착하고 분석해 그것이 어디서 왔고, 어떻게 방출되었는지 알아내고자 노력한다. 저자는 이를 통해 우리 은하와 다른 은하의 존재를 최초로 입증했던 100년 전 ‘나선성운들’로 독자를 데려간다. 그 여정에서 우리는 은하가 어떻게 형성·진화했는지 배울 수 있다. 저자는 우리 은하에서 극도로 멀리 떨어져 있는 은하의 성질과 진화 방식에 관한 최신 관측 자료는 물론, 급속도로 발전하고 있는 관측 천문학 연구 분야 사례를 풍부하게 소개한다. 나아가 우주에 대한 ‘세계 모형(world model)’과 컴퓨터 시뮬레이션을 깊이 있게 다룬다. 특히 108장에 이르는 컬러 도판이 우주의 모습을 생생하게 그려낸다. ◆몰랐던 우주물리학 쉽고 재밌게-우주의 크기는 얼마나 클까. 그런데 왜 우주는 텅텅 비어 있는 것처럼 보일까. 그리고 우주 너머에는 무엇이 있을까. 우리는 우주에 관해 꽤 많은 것을 알고 있다고 생각한다. 그러나 그것은 착각일뿐이다. 우주는 인류의 직관과 전혀 다른 방식으로 작동한다. 이런 우주를 ‘코스모스 오디세이’(사회평론) 저자 호르헤 챔과 대니얼 화이트슨이 우주물리학으로 풀어낸다. 상대성이론, 양자역학, 강입자 충돌기(LHC)처럼 많이 들어봤지만 알지 못하는 개념에서 암흑물질, 암흑에너지, 쿼크와 반물질 등 우리가 밝혀내야 할 미지의 존재까지 드넓은 우주의 세계로 안내한다. 호르헤 챔은 앞서 스탠퍼드 대학원 재학 시절, 대학원생의 고달픈 삶과 이공계의 현실을 그린 ‘PHD COMICS’를 연재해 큰 인기를 끌었다. 미국에서는 드라마로까지 만들어질 정도로 유명세를 탔다. 저자는 우주물리학의 개념과 원리를 일러스트와 적절한 설명으로 알려준다. 예컨대 ‘질량’이 무엇인지에 관해 ‘질량이란 그 안에 있는 물질의 양이 아니라 입자에 붙여진 신비한 양자 이름표’라고 설명하는 식이다. 페이지마다 등장하는 유머러스한 삽화는 이해를 돕고 책을 지루하지 않게 한다. 암흑물질, 암흑에너지, 반물질, 물질을 이루는 가장 기본적인 원소, 중력과 공간, 그리고 시간과 차원 등을 비롯해 빅뱅과 우주 너머까지, 우주물리학을 재밌게 즐겨보자. ◆우주 바라보고 인간을 돌아보다-천체를 관측하기 가장 좋은 곳은 어딜까. 태평양 한가운데에 있는 하와이 마우나케아 천문대다. 버지니아대 천체물리학 교수 트린 주안 투안이 북반구에서 가장 아름다운 밤하늘을 관측할 수 있는 이곳을 찾았다. 청색 밀집 왜소은하에 관한 연구를 위해서다. 망원경을 설치하고 밤이 내려오기를 기다리는 저자는 땅거미에서 새벽녘까지 은하를 분석하고, 우주의 기원을 발견하려고 수십억 년을 거슬러 올라가고, 흑색물질의 수수께끼를 조사한다. 그러면서 세상의 아름다움과 덧없음, 인간 존재에 대한 이런저런 질문을 던진다. 저자는 어린 시절 베트남 전쟁을 겪었다. 그에게 밤이란 포탄소리가 울리는, 언제 어디서 공격을 받을지 모르는 위험한 시간이었다. 이후 스위스의 로잔으로 유학을 떠난 저자는 밤중에 유탄이 날아들까 봐 걱정하지 않아도 되고 안심하며 돌아다닐 수 있다는 사실에 놀랐다. 자신의 내면에 자리 잡은 밤에 관한 이런 생각을 저자는 다양한 문학·예술작품과 함께 녹였다. 라이너 마리아 릴케가 쓴 ‘밤에 드리는 시’를 비롯해 고흐, 샤갈, 피카소, 뭉크, 르네 마그리트에 이르기까지 예술가들의 작품을 통해 밤을 돌아본다. 사랑과 두려움, 신비로움에 대한 이야기가 감성적으로 다가온다. 해발 4207m의 천문대 연구 과정과 결과, 그곳에서 찍은 사진, 그리고 명화와 글이 잘 어울린다. ‘과학과 아름다운 예술의 조화’라는 찬사 속에 프랑스 천문학회가 뽑은 ‘2018년 올해의 천문학 도서’로 선정됐다. 김기중 기자 gjkim@seoul.co.kr

우리은하에는 과연 별이 몇 개나 있을까? 그리고 천문학자들은 그 별의 개수를 어떻게 알아낼까? 미국 뉴욕의 이타카 대학 천문학과 데이비드 콘라이히 박사에 의하면 천문학자들은 은하의 질량을 계산하여 별의 개수를 추정하는 방법을 쓴다고 밝혔다. 그렇다면 은하의 질량을 어떤 방법으로 알아내는지, 그리고 그 질량값에서 별 수를 어떻게 추산하는지 따라가 보도록 하자. 태양계의 지구가 있는 우리은하는 지름이 약 10만 광년에 달하는 막대 나선은하다. 우리은하를 바깥에서 본다면, 은하 중심의 팽대부에서 4개의 나선팔이 뻗어나와 있는 모습을 볼 수 있을 것이다. 2개의 주요 나선팔은 페르세우스 나선팔과 궁수자리 나선팔이고, 다른 2개는 부차적인 것으로, 우리 태양계는 그중 하나인 오리온 팔에 얹혀 있다. 20세기 초까지만 해도 천문학자들은 우리은하가 곧 우주 전체라고 생각하고, 우주의 모든 별들이 은하계의 내부에 있는 거라고 생각했지만, 1920년대에 이것이 턱도 없는 생각이라는 사실이 밝혀졌다. 미국의 신출내기 천문학자 에드윈 허블이 세페이드 변광성을 이용해 안드로메다 성운까지의 거리를 측정해본 결과, 무려 90만 광년 밖에 있는 또 다른 은하임을 알아냈던 것이다. 이는 우리은하 지름의 9배에 해당하는 거리다. 물론 허블의 측정은 큰 오차를 가진 것으로, 현재 안드로메다 은하까지의 거리는 230만 광년으로 결정되어 있다. 그렇다면 우리은하의 지름 10만 광년은 얼마만한 크기일까? 쉽게 상상이 되지 않는 크기지만, 상상할 수 있는 방법이 있다. 지금까지 인류가 끌어낼 수 있는 로켓의 최대 속도는 초속 23㎞다. 이는 2015년 명왕성을 근접비행한 NASA 탐험선 뉴호라이즌스가 목성의 중력보조를 받아 만들어낸 속도로 지구 탈출속도의 2배가 넘는다. 대략 총알보다 23배가 빠르다고 생각하면 된다. 이 뉴호라이즌스에 올라타고 은하를 호기롭게 가로질러 가보도록 하자. 얼마나 걸릴까? 1광년이 약 10조㎞니까, 10만 광년은 약 100경㎞다. 1 다음에 0이 18개나 붙는 엄청난 숫자다. 이 거리를 뉴호라이즌스가 초속 23㎞로 밤낮없이 달린다면 우리은하를 가로지르는 데 약 14억 년이 걸린다. 이는 우주 역사 138억 년의 약 10분의 1에 해당하는 시간이다. 우리 인류에게 거의 영겁이라 할 만하다. 우리은하만 하더라도 이처럼 광대하다. 여름에 빛공해가 덜한 시골에서 밤하늘을 올려다보면 뿌연 강처럼 보이는 은하가 하늘을 가로지르는 광경을 볼 수 있다. 모두 별들이 뭉쳐져 만들고 있는 풍경이다. 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 별의 수는 몇천 개에 지나지 않는 만큼 눈으로 우리은하의 별을 다 셀 수는 없다. 뿐더러 1초에 하나씩 센다고 쳐도 100년을 세어야 겨우 30억 개를 셀 수 있을 뿐이다. 그렇다면 천문학자들은 그 많은 숫자를 어떻게 계산했을까? 비결은 우리은하 전체의 질량을 재고, 그 다음 별의 평균 질량으로 나누는 방법이다. 은하의 질량은 은하의 회전속도와 도플러 효과를 이용하면 구할 수 있다. 도플러 효과란 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 중 하나 이상이 운동하고 있을 때 발생하는 효과로, 파원과 관측자 사이의 거리가 좁아질 때에는 파동의 주파수가 더 높게, 거리가 멀어질 때에는 파동의 주파수가 더 낮게 관측되는 현상을 말한다. 관측에 따르면, 모든 은하들은 서로 멀어지고 있으며, 은하에서 오는 빛은 도플러 효과에 따라 파장이 길어지므로 스펙트럼의 붉은색 쪽으로 이동한다. 이를 ‘적색이동’이라고 하고, 그 반대는 ‘청색이동’이라 한다. 어떤 종류의 망원경이라도 이런 종류의 분광 작업을 할 수 있지만, 되도록이면 빛공해와 대기의 방해를 받지 않는 우주망원경이 이상적이라 할 수 있다. 다른 까다로운 것은 그 질량의 얼마가 별로 만들어졌는지를 알아내는 작업이다. 은하의 질량을 계산하는 데 필수적으로 감안해야 하는 사항은 암흑물질이다. 대략적인 경우 은하 질량의 약 90%는 암흑물질이다. 암흑물질은 빛을 방출하지 않지만 우주의 질량 대부분을 차지한다고 여겨진다. 일단 가시물질의 질량을 파악해냈다 하더라도 다른 문제가 또 있다. 은하 유형마다 품고 있는 별들의 종류가 같지 않다는 점이다. 예컨대, 나선은하인 우리은하에 비해 나이 많은 타원은하는 K-M형 적색 왜성이 더 많다. 보통 한 은하의 총질량 중 약 3%가 별을 구성하고 있는 것으로 추산되는데, 우리 태양이 별 중 중간치 질량의 별로 볼 때 우리은하가 품고 있는 전체 별의 개수는 추산 방법에 따라 1000억에서 7000억 개라는 진폭이 큰 값들이 나오는데, 현재는 약 4000억 개라는 주장이 대세를 이루고 있다. ‘코스모스’의 저자 칼 세이건도 4000억 개에 손을 들어주고 있다. 현재 유럽우주국(ESA)의 가이아 탐사선은 우리은하의 별 약 10억 개에 대한 3차원 지도작업을 수행하고 있는 중이다. 가이아의 미션이 끝나면 우리은하의 별 개수를 더욱 정확히 결정할 수 있게 될 것으로 보인다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

우리의 개념이 모여있을만큼 친숙한 안드로메다 은하(M32·이하 안드로메다)가 20억 년 전 이웃 은하 하나를 꿀꺽 삼켰다는 흥미로운 연구결과가 나왔다. 최근 미국 미시간 대학 연구팀은 오래 전 안드로메다가 국부 은하군에 속해있는 거대 은하를 삼킨 것으로 보인다는 논문을 ‘네이처 어스트로노미'(Nature Astronomy) 최신호에 발표했다. 망원경이 없어도 보일 만큼 거대한 안드로메다는 우리은하와 가장 가까운 나선은하로, 마젤란 은하 등 여러 은하들과 함께 국부 은하군에 속한 이웃사촌이다. 인류의 신화 속에도 등장할 만큼 친숙하지만 우리와의 거리는 무려 250만 광년으로 상상을 초월한다. 특히 안드로메다는 우리은하와 비교해보면 덩치는 2배 이상, 별의 개수는 최소 1조 개가 넘을 만큼 거대해 우리 동네에서는 한마디로 ‘대장'인 셈이다. 이번에 연구팀은 주목한 것은 안드로메다의 바깥을 둘러싸고 있는 구모양의 헤일로(halo)다. 은하 주변에 존재하는 물질과 암흑물질의 모임인 헤일로는 마치 유령같은 존재로 가시광 영역에서는 보이지 않는다. 안드로메다의 헤일로는 100만 광년에 걸쳐 뻗어있는 것으로 추정되는데, 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이것이 거대한 다른 은하를 먹어치우면서 형성된 것으로 파악했다. 연구팀의 가설을 종합하면 20억 년 전 국부 은하군에서 안드로메다보다는 작지만 우리은하만큼이나 거대한 ‘M32p'라는 이름의 은하가 존재했으나 안드로메다가 이와 충돌, 합병하면서 현재의 모습이 됐다는 결론이다. 논문의 선임저자인 리처드 디 수자 박사는 "안드로메다는 우주에서 가장 별이 촘촘히 모여있는 괴짜 은하 중 하나"라면서 "별이 폭발적으로 생성되는 은하로 젊은 별과 무질서하게 움직이는 늙은 별이 공존한다"고 설명했다. 이어 "이번 연구는 은하의 진화를 이해하는데 도움을 줄 것"이라고 덧붙였다. 한편 안드로메다는 영겁의 시간이 지나면 흥미롭게도 우리 곁으로 다가온다. 전문가들에 따르면 현재 두 은하는 시간당 40만㎞ 속도로 접근하고 있는 중이다. 결과적으로 37억 년 정도 후면 두 은하가 충돌하고 65억 년 뒤면 완전히 합체해 거대한 타원은하가 된다. 천문학자들이 태어나지도 않은 이 은하에 붙여놓은 이름은 두 은하의 이름을 합친 ‘밀코메다'(Milkomeda)다. 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

우주의 약 4분의 1을 차지하고 있다고 하지만 보이지 않는 ‘암흑물질’. 그런데 이 수수께끼의 물질이 전혀 존재하지 않는 은하를 발견했다고 천문학자들이 밝혔다. 세계적 학술지 네이처 최신호(28일자)에 발표된 연구논문에서 국제 연구팀은 이번 발견으로 은하 형성 방법에 관한 다양한 이론을 다시 검토하거나 대폭으로 수정해야 할지도 모른다고 지적했다. 이 연구에 공동저자로 참여한 캐나다 천문학자 로버토 에이브러햄 토론토대 교수는 “정말 이상하다. 이 정도 크기의 은하라면 일반 물질의 30배 이상 더 많은 암흑물질이 있어야 하지만, 전혀 없다”면서 “이는 있을 수 없는 일”이라고 말했다. 우리 지구에서 약 6500만 광년 거리에 있는 이 기이한 은하의 명칭은 ‘NGC1052-DF2’(이하 DF2). DF2 은하는 우리 은하와 크기가 거의 같지만 항성 수는 1000분의 1에서 100분의 1 정도밖에 없다. 암흑물질의 존재는 중력에 의해 영향받는 천체의 움직임으로 추정한다. 또 다른 공동저자인 독일 막스 플랑크 천문학연구소의 앨리슨 메리트 연구원은 “(암흑물질은) 모든 은하에 꼭 필요하며 은하를 구성하는 접착제로 은하 형성의 토대가 되는 것으로 생각돼 왔다”고 말했다. 네덜란드 출신 천문학자 피터르 판 도쿰 미국 예일대 교수가 주도한 이번 연구팀은 미국 하와이주(州)에 있는 W·M·켁 천문대의 대형 망원경을 사용해 ‘DF2’ 은하에 있는 항성 약 10만 개로 구성된 성단 몇 개의 움직임을 추적했다. 그 결과, 이들 성단은 은하와 같은 속도로 움직였고 스스로 움직이는 것으로 나타났다. 만일 암흑물질이 있다면 성단은 더 느리거나 더 빠르게 움직일 것이다. 암흑물질이 없는 은하의 발견은 성가신 문제를 제기해 천문학자들을 곤란하게 만들고 있다. 이에 대해 도쿰 교수는 “이는 은하 구조에 관한 우리의 일반적인 생각에 이의를 제기하는 것”이라면서 “은하처럼 거대한 무언가가 암흑물질 없이 어떻게 뭉쳐있는지 파악하는 것은 어렵겠지만, 이 은하가 처음에 어떻게 형성됐는지 이해하는 것은 훨씬 더 어려울 것”이라고 말했다. 사진=NASA, ESA, and 피터르 판 도쿰(예일대) 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

중력 렌즈는 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 빛이 중력의 영향으로 경로가 바뀌면서 마치 렌즈처럼 멀리 있는 천체를 확대하는 현상이다. 이를 통해 과학자들은 본래대로라면 희미해서 관측하기 힘든 천체도 관측할 수 있다. 초점이 딱 맞는 경우는 별로 없기 때문에 본래 모양과는 좀 다르거나 여러 개로 보이기는 하지만, 기술의 발전으로 본래 모습을 재구성하는 것은 물론 그 차제로도 스펙트럼 분석을 통해 구성 물질 등 여러가지 특징을 연구할 수 있다. 과거 중력 렌즈를 통해서 관측할 수 있는 천체도 주로 퀘이사나 멀리 있는 은하였다. 이제는 별이나 심지어 행성까지 시도되고 있다. 본래 밝기의 10배까지 더 밝게 보이는 중력 렌즈는 천문학자들에게는 신이 내린 선물이라고 할 수 있다. 최근 하와이 대학의 하랄드 에벨링(Harald Ebeling)이 이끄는 국제 전문학자 팀은 허블 우주 망원경을 이용해서 역대 가장 큰 배율의 중력 렌즈를 찾아냈다. 'eMACSJ1341-QG-1'라고 명명된 매우 멀리 떨어진 은하가 본래 밝기의 30배로 확대되어 보이는 것을 찾아낸 것이다. 렌즈 역할을 하는 천체는 eMACSJ1341.9-2441이라는 은하단으로 역시 지구에서 매우 멀리 떨어진 대형 은하단이다. 이 은하는 매우 길쭉하게 늘어나 있지만, 이것만으로도 많은 정보를 알아낼 수 있기 때문에 현재 지상의 망원경으로 후속 관측이 이뤄지고 있다. 중력 렌즈에서 흥미로운 사실 중 하나는 관측 대상은 물론 렌즈에 대해서도 많은 것을 알아낼 수 있다는 점이다. 렌즈 효과를 역으로 조사하면 렌즈 역할을 한 은하단의 질량 같은 중요한 정보를 알아낼 수 있다. 천문학자들은 종종 이를 통해 암흑물질처럼 직접 관측이 어려운 물질의 분포를 관측한다. 중력 렌즈는 종종 우주에서 가장 큰 렌즈로 불린다. 앞으로 이 거대한 렌즈의 도움을 받아 천문학자들은 우주의 비밀을 더 쉽고 자세하게 풀어나갈 수 있을 것이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com 　

138억 년의 우주 역사를 가장 자세히 재현한 컴퓨터 시뮬레이션 영상을 국제 연구팀이 1일(현지시간) 영국 왕립천문학회 월간보고(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 공개했다. ‘일루스트리스: 더 넥스트 제네레이션’(IllustrisTNG·Illustris: The Next Generation)으로 명명된 이번 영상은 우주의 형성 과정을 그 어느 것보다 자세히 보여준다. 연구팀은 “이번 영상은 130억 년이 넘는 시간 동안 우주에 은하가 어떻게 형성·진화·성장하고 새로운 별의 탄생을 유도하는지 알 수 있게 해준다”고 설명했다. 이미 연구팀은 이번 시뮬레이션 모델로 블랙홀이 암흑물질의 분포에 어떻게 영향을 주는지, 중원소들이 어떻게 만들어져 분포하는지, 그리고 자기장이 어디에서 비롯되는지 살피고 있다. 연구팀의 샤이 제넬 박사(미국 플랫아이언연구소 전산천체물리학센터)는 “천체 망원경 한 대로는 은하들을 일정량밖에 측정할 수 없지만, 이번 시뮬레이션은 모든 은하의 특성을 추적할 수 있고 현재 모습뿐만 아니라 모든 형성 과정도 살필 수 있다”고 말했다. 이들은 ‘빅뱅’으로 불리는 대폭발 이후 우주 전체로 균일하게 확산해나간 빛 즉 우주배경복사에서 수집한 우주 초장기에 관한 증거를 이용해 이번 시뮬레이션을 제작했다. 이를 통해 우주가 탄생한 지 불과 몇십억 년밖에 안 됐을 때의 조건을 모델링했다. 가상의 우주 공간에 별과 행성 형성에 관여하는 바리온 물질과 은하 구조에 관여하는 암흑물질, 그리고 우주의 가속팽창과 관련한 암흑에너지를 더했다. 그리고 초신성 폭발과 블랙홀에 관한 정보도 추가했다. 또 다른 연구원인 폴커 스프링겔 박사(독일 하이델베르크 이론연구소)는 “이번 모델은 대규모 물질 분포에서 거대질량 블랙홀의 영향을 정확히 예측할 수 있어 특히 매력적”이라면서 “앞으로 나올 관측 연구를 신뢰성 있게 해석하는 데 결정적인 역할을 할 것”이라고 말했다. 연구를 주도한 마크 보겔스버거 박사(미국 매사추세츠공과대)는 이번 시뮬레이션으로 뜨겁고 묽은 가스의 난류 운동이 은하 중심의 자기장을 기하급수적으로 증폭할 수 있는 소규모 자기 발전기를 유도하는 것을 보여줬고 관찰된 자기장의 세기도 정확히 예측했다. 그는 “이번 모델은 정교한 은하 형성 모델과의 결합을 통해 어떤 기존 시뮬레이션보다 자세히 이런 자기장 문제를 탐구하도록 해준다”고 말했다. 시뮬레이션 속 우주는 현재 우리가 관측 가능한 우주인 약 930억 광년의 거리와 비교하면 10억 광년에 불과하다. 하지만 4년 전 제작한 초기 모델 속 우주는 약 3억5000만 광년으로 훨씬 더 작았다. 연구에 참여한 안날리사 필레피치 연구원(막스플랑크 천문학연구소)은 “우리의 예측 모델은 이제 천문학자들에 의해 체계적으로 확인될 수 있다”면서 “이는 계층적 은하 형성이라는 이론적 모델의 결정적인 검사를 이끌어낼 것”이라고 말했다. 사진=IllustrisTNG 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

고백할 것이 있다. 필자를 포함해 우주 기원을 연구하는 입자물리학자들은 수지를 만나고 싶어 한다. 수지를 만나기만 하면 많은 일들이 풀릴 것으로 생각되기 때문이다.우주의 기원을 알기 위해서 필요한 것은 무엇일까. ‘요리’를 생각하면 쉽다. 요리에는 재료가 가장 중요하다. 우주에는 비어 있는 시공간뿐만 아니라 온갖 물질과 물질을 구성하는 기본입자들이 있다. 지난 100년 동안 물리학자들은 전자, 중성미자를 포함한 렙톤들, 핵을 구성하는 쿼크들을 발견했다. 이런 물질과 입자들의 다양한 상호작용은 우주의 거대한 구조에서부터 생명현상에 이르기까지 모든 현상을 만들어 낸다.이런 상호작용들도 모두 발견됐다. 더군다나 힉스 입자의 발견으로 긴 여정이 일단락된 상태다. 이런 입자들의 역할을 알기 위해서는 빅뱅 초기처럼 매우 높은 에너지가 필요하다. ‘거대강입자충돌장치’(LHC)가 이 환경을 재현하고 있다. 이런 재료만으로 우주를 설명하기는 부자연스럽다. 특히 이론물리학자들은 오래전부터 힉스 입자의 질량이 지나치게 작다는 점을 지적해 왔다. 정신없이 뛰놀고 있는 아이들이 가득한 방에 비싸고 깨지기 쉬운 꽃병을 방바닥 한가운데 놓아두었다고 하자. 한 시간 뒤 방에 들어갔더니 아이들은 여전히 뛰어놀고 있는데 꽃병이 원래 자리에 그대로 있다면 어떤 생각이 들까. 가능성은 있지만 그런 일이 어떻게 생겼는지 설명하기는 어렵다. 이처럼 힉스 입자의 질량과 상호작용력은 부자연스러울 정도로 작다. 수지만 있으면 이런 부자연스러움도 자연스럽게 설명할 수 있다. 우주에는 기본입자들 외에 암흑물질이라는 것도 있다. 관측을 통해 간접적으로 존재가 알려져 있지만 직접 발견하지는 못했다. 우주에는 일반물질보다 암흑물질이 더 많은데도 말이다. 암흑물질의 정체도 수지의 도움으로 해결할 수 있을 것이다. 또 물리법칙의 아름다움을 완성하기 위해서는 복잡해 보이는 여러 입자들과 상호작용이 통일된 하나의 법칙으로 표현될 수 있어야 한다. 여러 다른 힘들을 통일하는 데도 수지가 결정적 역할을 한다. 전자기력, 약력, 강력을 통일하는 대통일이론에 수지만 있으면 힘의 크기가 우주 초기와 같아져서 통일할 수 있고, 중력까지 통일할 수 있는 끈이론에도 수지가 필요하다. 지난 수년간 LHC에서 실험을 했지만 수지는 모습을 드러내지 않았다. ‘자연스러움’이라는 물리학의 기본 철학을 포기해야 하는 것 아닌가라는 논의까지 진행되고 있다. 어쩌면 물리학이 완전히 새로운 국면에 들어가기 직전의 상태라는 징조일 수 있다. 19세기 말 거의 완성된 듯한 물리학에서 몇 가지 빈틈이 보이기 시작했던 것처럼 말이다. 당시 물리학은 전자가 원자핵 주위를 돌면 전자기파를 방출해 원자들이 불안정해진다는 문제에 직면했다. 이 문제 해결 과정에서 양자역학이라는 혁명적인 패러다임이 등장했다. 양자역학은 세계관만 변화시킨 것이 아니고 반도체, 레이저 등의 발명을 통해 인류의 삶을 완전히 바꿔 놓았다. 또다시 물리학에서 새로운 전환이 필요할 때다. 수년간 공을 들였지만 수지를 만나지 못할 경우에는 당혹감과 함께 이전 생각을 과감히 버리고 새로운 물리학을 하게 될 것이다. 이런 변화는 끈기를 가지고 추구할 때만 온다. 지금까지 이야기한 수지(SUSY)는 ‘초대칭성’(supersymmetry)의 준말이다. 모든 기본입자에 짝이 있다는 이론이다. 짝 입자 중 일부는 암흑물질로 우주에 남아 있고 대다수는 질량이 더 낮은 것으로 붕괴할 것으로 생각하고 있다. 초대칭성이 있으면 짝입자의 역할로 힉스 입자의 질량이 자연스레 낮게 유지될 수 있다. 초대칭성이 없는 끈이론은 불안정성을 가지고 있으나 초대칭성이 있는 초끈이론은 이 불안정성이 없어진다. 이런 이유들 때문에 수지를 간절히 찾고 있는 것이다.

태양 같은 별 수천 억 개가 모여야 우리 은하 같은 대형 은하를 이룰 수 있다. 따라서 은하는 정말 큰 천체이지만, 우주에서 가장 큰 천체는 아니다. 사실 거대한 은하 수천 개가 모인 은하단에 비교하면 은하 하나는 작은 점에 불과하다. 은하단은 물질과 암흑물질이 만드는 중력에 의해 묶인 은하들은 집단으로 일정한 속도로 우주를 여행하면서 다른 은하단과 충돌해 더 거대한 은하단을 만든다. 과학자들은 많은 관측을 통해서 이 과정을 상세하게 연구했다. 그 가운데 ‘1RXS J0603.3+4214’는 천문학자들 사이에서 ‘칫솔 은하단’(Toothbrush galaxy cluster)이라는 별명으로 더 잘 알려졌다. 은하단 자체가 칫솔 모양으로 생긴 건 아니지만, 대신 은하단 사이 가스(intracluster gas)가 거대한 칫솔 모양으로 뭉쳐져 관측할 수 있기 때문이다. 사실 은하 사이 공간은 별 사이 공간과 마찬가지로 인간의 관점에서 보면 진공 상태나 마찬가지다. 하지만 우주 공간 어디에도 물질의 밀도가 0이 되는 장소는 없다. 아무리 희박해도 약간의 물질은 있게 마련이다. 은하단 내 가스 역시 밀도가 매우 낮지만, 적어도 은하단 밖의 우주 공간보다는 더 높은 밀도의 물질을 지니고 있다. 사실 은하 사이 공간이 워낙 넓기 때문에 은하단 사이 가스를 모두 합치면 은하단의 별의 질량보다 더 크다고 생각된다. 따라서 은하단 사이 가스는 은하단의 진화와 형성에 매우 중요한 역할을 한다. 칫솔 은하단의 경우 두 개의 은하단이 서로 충돌하면서 가스의 밀도와 온도가 높아져 전파 망원경으로 관측이 가능한 경우로 생각된다. 하버드 - 스미스소니언 천체물리 센터의 연구팀은 거대 전파 망원경인 VLA(Very Large Array)를 이용해서 칫솔 은하단을 세밀하게 관측했다. 연구팀은 이 독특한 모양의 가스 구름이 생성된 이유로 은하단 충돌 가설이 가장 타당하다는 결론을 내렸다. 비록 밀도는 낮지만, 중력에 이끌려 서로 충돌한 은하단의 충돌 에너지로 인해 은하단 내 가스의 온도는 섭씨 1000만 도까지 상승한다. 고온의 가스가 방출하는 에너지는 지구에서도 관측이 가능하다. 사진에서는 붉은색으로 보이는 것이 전파 망원경 관측 부위이며 치약처럼 보이는 아래의 파란 구름은 은하단 주변 가스인 헤일로의 X선 관측 결과다. 그리고 이 두 관측 결과를 광학 망원경 관측 사진과 합쳐 위의 사진을 만든 것이다. 지구에서 봤을 때 칫솔처럼 보이는 것은 물론 우연의 일치지만, 칫솔 손잡이와 브러쉬 부분까지 구분이 가능할 정도로 닮았다는 점은 흥미롭다. 하지만 과학자들에게 정말 흥미로운 부분은 우주에서 가장 큰 충돌 사건인 은하단 충돌에서 은하단 사이 가스의 역할을 밝히는 데 큰 도움이 되고 있다는 점이다. 앞으로 이 과정을 더 상세하게 밝히기 위한 연구가 계속 진행될 것이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

우리가 사는 우주는 유령의 동네일지도 모른다. 미국자연사박물관의 헤이든 플레네타리움 스페이스쇼 다크유니버스에서 만든 ‘우주의 암흑물질 지도’를 보면 그런 섬뜩한 생각이 든다. 이 암흑물질 지도는 지난 1일(현지시간) 미항공우주국(NASA)의 오늘의 천체사진(APOD)에 발표되었다. 정교한 컴퓨터 시뮬레이션으로 제작된 이 암흑물질 지도는 우주에 분포하고 있는 암흑물질들이 연출하는 으시시한 우주의 풍경을 그대로 보여주고 있다. 뿐더러 은하들이 왜 그렇게 빨리 도는지, 은하단 속의 은하들이 왜 그렇게 빠른 속도로 움직이는지, 중력렌즈가 왜 그렇게 빛을 강하게 굴절시키는지, 우주 속에 가시 물질이 왜 그렇게 분포하는지에 대해 눈에 보이지 않는 암흑물질이 설명해주고 있다. 우주는 이 암흑물질의 중력으로 여지없이 사로잡혀 있는 것이다. 위의 이미지에서 암흑물질은 검은 가닥들이 거미줄처럼 복잡하게 얽힌 우주의 구조를 보여주고 있으며, 우리에게는 친숙한 일반물질은 주황색 매듭으로 표현되어 있다. 이 암흑물질 지도 시뮬레이션은 실제 천문학적 관측결과와도 잘 부합한다. 우리가 사는 우주에는 은하만 해도 약 2000억 개 정도가 있다. 그런데 이 모든 은하들의 총량보다 더 많은 미지의 암흑물질이 우주의 은하들을 하나로 묶어주고 있다. 만약 이러한 암흑물질이 없다면 우주의 은하들이 다 뿔뿔이 흩어지고 말았을 것이다. 따라서 암흑물질이 은하의 진정한 수호자라 할 수 있다. 이 같은 암흑물질 지도는 중력렌즈 현상을 이용해서 만들어졌다. 중력렌즈 현상이란 천체의 중력이 빛의 경로를 휘어지게 하는 렌즈의 역할을 하는 현상으로, 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 나타난다. 그런데 우주에는 암흑물질보다 더 섬뜩한 존재가 모습을 드러냈다. 암흑물질의 중력보다 더 막강한 중력을 휘두르고 있는 존재로, 바로 암흑 에너지란 존재가 우주를 지배하는 척력(반중력)이란 사실이 밝혀졌다. 이 암흑 에너지로 인해 우리 우주가 가속팽창을 하고 있다는 사실이 얼마 전 밝혀졌다. 이 놀라운 발견을 한 과학자들은 2011년 노벨 물리학상을 받았다. 노벨 물리학상 공동 수상자인 브라이언 슈미트 호주 국립대 교수는 앞으로 1000억 년 후에는 지구가 속한 은하수를 제외한 우주의 모든 은하계가 사라져 버리고 인류는 결국 텅 빈 우주를 보게 될 것이며, 암흑 에너지가 갑자기 사라지지 않는다면 우주는 갈수록 빠른 속도로 팽창을 계속한 끝에 결국 없어질 것이라고 전망했다. 참고로, 우주 구성물질의 비중을 보면, 암흑 에너지가 74%로 압도적인 비중을 차지하고, 그 다음이 암흑물질이 22%를 차지한다. 이 둘만 합해도 무려 96%다. 가시 물질이 나머지 4%인데, 그중 3.6%는 은하들 사이에 산재하는 가스이고, 관측 가능한 우주의 모든 것, 즉 모든 은하들과 그 안에 있는 모든 별들이 우주 '파이'에서 차지하는 양은 고작 0.4%에 지나지 않는다. 우리 눈에는 보이지도 않는 암흑물질과 암흑 에너지가 결국 우주의 운명을 쥐고 있는 셈이다. 이처럼 우리가 사는 우주는 갈수록 유령의 동네를 닮아가고 있는 것 같다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

올 초 국내 내로라하는 과학자들이 강원도 산골의 광산을 다시 찾았다. 우주입자 연구실 터를 결정하기 위해서다. 지하 1100m 광산을 둘러본 과학자들은 크게 흡족해하며 고개를 끄덕였다.기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 강원 정선군 및 광산 소유주인 한덕철광과 17일 업무협정(MOU)을 맺는다고 16일 밝혔다. 정선군 예미산 일대 철광석 광산 지하에 2000㎡ 규모의 연구 시설을 짓는 프로젝트다. 연구단은 2019년까지 공사를 끝내고 2020년부터는 본격적인 실험에 들어갈 계획이다. 땅속에 연구실을 만드는 데만 210억원이 투입된다. 우주 입자는 우주 생성의 비밀을 품고 있는 암흑물질과 사람의 눈에 보이지 않아 ‘유령입자’라고 불리는 중성미자를 말한다. 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는 핵심요소다. 하지만 그 어떤 물리학자도 지금까지 암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정에 성공하지 못했다. 그만큼 현대 물리학의 최대 과제로 꼽힌다. 성공하면 ‘노벨상 0순위’라는 말이 공공연히 회자될 정도다. 그런데 왜 하필 땅속 깊숙한 광산일까. 김영덕 IBS 지하실험연구단장은 “암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 전 세계 과학자들이 미세한 소리나 잡음이 거의 없는 지하 깊은 곳에 검출장비를 경쟁적으로 설치하고 있다”고 설명했다. 중성미자 진동현상을 측정해 2015년 노벨물리학상을 받은 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수의 거대 실험장치 슈퍼 가미오칸데도 폐광 지하 1000m에 있다. 우리나라도 강원 양양 양수발전소 지하 700m에 300㎡ 규모의 실험실을 만들어 천체입자 물리학 실험을 하고 있다. 하지만 실험실 깊이와 규모 때문에 심도 있는 연구가 한계에 부딪친 상태라고 김 단장은 전했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr